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Technique - Fréquencemètre
Le fréquencemètre


Connaître la fréquence des signaux auxquels nous sommes confrontés est un atout supplémentaire pour les expérimentateurs. La meilleure réponse s'appelle fréquencemètre.
Il y a vingt cinq ans (nous sommes en l'an 2000) le fréquencemètre était un appareil rare, cher et qui ne se trouvait pas dans le premier labo venu. L'apparition sur le marché des circuits intégrés a propulsé cet appareil de mesure sur le devant de la scène rendant son coût plus faible et sa fabrication beaucoup plus simple.
Dans le domaine de la mesure de fréquence les radioamateurs sont passés en 20 ans de la préhistoire avec l'utilisation d'ondemètres à absorption à l'ère atomique avec l'arrivée des circuits spécialisés et des microcontrôleurs.

Nous allons nous intéresser essentiellement au principe de mesure utilisé par les ensembles à composants intégrés, les micro-contrôleurs étant un peu hors sujet.
Les différentes étapes de la mesure  :

Le résultat que nous voulons obtenir est l'affichage sur un dispositif quelconque de la fréquence d'un signal présent à l'entrée de l'appareil. Nous allons donc fonctionner en électronique digitale ce qui va occasionner certaines contraintes comme la mise en forme des signaux.

  • Nous trouverons donc à l'entrée de tout fréquencemètre un amplificateur qui devra être aussi large bande que possible et présenter dans sa bande passante un gain a peu près constant. Son rôle est d'amener l'amplitude des signaux à mesurer à une valeur compatible avec le traitement qui va être effectué dans la mise en forme
  • Cet amplificateur est suivi d'un circuit de mise en forme des signaux car, pour être comptés, ces signaux doivent être transformés de sinusoïdaux (ou autre chose) en signaux carrés. Seuls les signaux carrés seront susceptibles d'être pris en compte par la logique de comptage. On fait appel à un circuit que vous connaissez bien, le trigger de schmitt. 

    Le montage pour un fréquencemètre est légèrement plus élaboré mais le principe est là.

  • Maintenant que les signaux d'entrées sont de formes carrées, nous allons passer au principe de comptage. La façon la plus simple consistera à compter combien nous avons de créneaux pendant un laps de temps donné, mettons une seconde pour l'exemple. Pour accomplir cela, nous devons réaliser un dispositif qui laissera passer les signaux pendant la durée de comptage et réalisera quelques fonctions annexes secondaire pour la démonstration. L'élément sur lequel repose tout cela s'appelle la Base de Temps.

La base de temps est constituée d'un oscillateur à quartz car notre référence de temps doit être précise. Plus cette référence sera précise, plus notre compteur le sera également. On trouve ensuite des éléments chargés de mettre en forme et d'extraire à partir des signaux fournis par l'oscillateur à quartz les signaux de gestion.
  • Les signaux issus de l'entrée et mis en forme sont envoyés sur une entrée d'une porte ET, l'autre entrée reçoit les signaux en provenance de la base de temps. Comme il s'agit d'une porte ET, nous retrouverons nos signaux d'entrée à la sortie en fonction de l'état de l'entrée que l'on appellera horloge (la base de temps). Pour le moment nous n'avons encore rien compté, mais désormais nous avons des paquets d'impulsions qu'il ne nous reste plus qu'à décortiquer.
  • Le comptage va être effectué par des cascades de bascules telles que celles que nous avons étudiées pour la logique séquentielle. Vous vous doutez que ces bascules sont encapsulées dans un circuit plus générique appelé diviseur. Nous utiliserons des diviseurs par 10 (5 et 2). Sur chaque diviseur, une sortie spéciale change d'état quand la dizaine est franchie, c'est la classique retenue que vous pratiquez au quotidien.
Vous remarquerez une broche notée "Reset" car après chaque comptage, il faudra bien entendu remettre à 0 tous les compteurs. Si nous ne faisions pas cela nous obtiendrions la somme du comptage du précédent...
L'impulsion de remise à 0 est fournie par la base de temps.

  • Maintenant à la fin de chaque cycle d'horloge nous possédons une information issue de nos compteurs qui nous donne le nombre d'impulsions comptées.  Nous devons les afficher, c'est quand même la finalité. Nous souhaitons que l'affichage soit fixe pendant le comptage, nous ne souhaitons pas voir défiler les chiffres car c'est lassant et surtout pas commode. Nous allons donc mettre le résultat du comptage dans une mémoire, mémoire que nous rafraîchirons pour le cycle suivant de comptage. L'impulsion qui commandera cette opération sera également fournie par la Bdt. Vous mesurez combien de chose fait cette base de temps.
  • Il ne nous reste plus grand chose à faire sinon afficher. Pour cela il faudra passer par un circuit spécial appelé décodeur qui va, partant du code fournit par les diviseurs, permettre sa conversion en code d'affichage 7 segments. Les afficheurs modernes intègrent désormais cette fonction.
    Le schéma global de notre fréquencemètre donnera ceci :


Nous venons de voir comment était constitué un bon vieux fréquencemètre de dans le temps. La technique évolue et pour certaines applications on a désormais recours au micro-contrôleur qu'on met aujourd'hui à toutes les sauces Avec ce type de composant, la technique est sensiblement différente et le gros du travail est essentiellement dans la programme que l'on charge dans la mémoire de ce microprocesseur dédié. Si vous êtes intéressé par le sujet, le web ou la littérature sont très riches.
On trouve des fréquencemètres à tous les prix, c'est naturellement dépendant du niveau de performance souhaité. Comme tout appareil de mesure, le fréquencemètre est caractérisé, voyons cela :

  • Affichage 
    nombre d'afficheurs, dimensions et type LCD/LED
  • Mesures
    Fonctions réalisées comme fréquencemètre, périodemètre, impulsiomètre...
  • Sensibilité
    tension d'entrée minimum provoquant une lecture pour une gamme de fréquence considérée, ex 100 mV entre DC et 500 MHz
  • Précision de la fréquence affichée
    en ppm pour une gamme de température donnée
  • Gamme de températures d'utilisation
    Gammes usuelles
  • Impédance d'entrée de l'appareil
    en fonction des différentes gammes utilisées
  • Niveaux maximum applicables
  • Consommation électrique - alimentation
  • Connectique

Comme tout appareil de mesure, le fréquencemètre perturbe le milieu observé, aussi infimes que soient ces perturbations, elles existent. En conséquence, comme pour toute mesure, il faudra être vigilant quant à la cohérence du résultat affiché et ne pas croire aveuglément ce qui est écrit (c'est d'ailleurs vrai pour tous les domaines de la vie...). ce sera d'autant plus vrai si votre appareil est de construction maison.
  • Pensez que vos amplis d'entrée ont une bande passante et que le gain peut onduler fortement dans cette bande passante d'ou parfois avec des signaux tangents des affichages erratiques.
  • En présence de signaux riches en harmoniques, le fréquencemètre peut indiquer un harmonique sur lequel sa sensibilité est grande, méfiance.
  • Un affichage instable est le signe d'une mauvaise mesure
  • Attention à la prise de tension HF, pensez à utiliser un condensateur sur votre sonde et pensez que les capacités ont des réactances.
  • Si vous mesurez un oscillateur et que vous l'écoutiez sur un récepteur, vous constaterez la présence de beaucoup de bruit ramené par votre appareil de mesure et probablement une légère dérive. D'une part le fréquencemètre fonctionne avec des signaux carrés, d'autre part il charge votre circuit.
  • Pensez à utiliser le couplage magnétique sur les bobines.
La construction d'un fréquencemètre est maintenant chose aisée car l'on trouve à des prix très bas des circuits spécialisés limitant la circuiterie et les câblages au minimum. Il n'en reste pas moins vrai qu'il faut réaliser un circuit imprimé, ce n'est pas une chose insurmontable. Ces circuits ont en général une gamme de mesure assez peu étendue, typiquement 10 à 20 MHz et il faut leur adjoindre un pré-diviseur rapide pour augmenter la gamme de mesure.
 
Vous êtes armés pour affronter la mesure de fréquence et construire votre propre appareil.